重型模锻压机多学科集成建模与低速稳定性研究

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1、中图分类号UDCTG3129博士学位论文学校代码!Q533重型模锻压机多学科集成建模与低速稳定性研究ResearchonMultidisciplinaryIntegratedModelingandLowSpeedStabilityfortheHeavyForgingPress作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：副指导教师：论文答辩日期∥号．1-．c户李毅波机械工程塑性加工工艺与装备机电工程学院黄明辉教授答辩委员会主席中南大学2013年05月原创性声明UlIIIIIIIIIIIIIil

2、lY2424908本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：吼丝年』月三日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公

3、布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名导师签日期：逊年』眨日重型模锻压机多学科集成建模与低速稳定性研究摘要：重型模锻装备是国家的战略基础制造装备，为国民经济各行业的高端装备提供大型主承载构件与锻件，在国家重大工程、国防建设中发挥着不可替代的作用。随着200～800MN重型模锻压机的先后建立，我国已经基本具备了生产大型整体锻件的条件，但由于系统集成层面上研究

4、工作的薄弱或缺失，我国重型模锻装备的设计、制造和运行控制等方面缺乏系统科学的整体评判准则，无法进行整体功能与可靠度预测，致使我国重型模锻装备的性能提升与高效运行受到极大的局限与束缚，严重影响模锻件产品的品质；与此同时，锻件整体精密化的发展趋势要求采用新的成形工艺实现大型锻件的高性能制造。等温模锻由于可以显著降低材料的变形抗力、改善金属的流动状态和内部组织而成为锻件精密成形的关键技术。该工艺要求压力保持时间达500s以上，这意味着重型模锻压机需要在低速的情况下进行驱动和运行，而超大惯量系统在低速下运行时极

5、易出现爬行或抖动，严重影响产品质量，迫切需要解决装备运行的确定性与高稳定性问题。基于此目的，本文以生产大型整体精密化锻件的等温模锻压机为研究对象，在建立重型模锻压机系统动力学、液压控制系统、材料成形过程模拟及解决模型间数据实时交互的基础上，形成重型模锻压机多学科集成仿真模型与装备整体性能的评估与预测方法，并从装备．工艺交互作用下的材料性能演变层面出发，实现对装备低速运行过程的主动优化控制，对提高重型模锻装备动态运行性能和锻件品质具有重要的理论意义和工程应用价值。论文的主要研究内容如下：1)重型模锻压机超

6、静定冗余约束消减的系统动力学建模重型模锻压机超静定复合承载的结构形式给系统带来过多的冗余约束，针对不同超静定冗余结构特征，分别提出“以力代副、以简代副、以柔代刚”的建模方法，实现冗余约束的消减或消除；针对重型模锻压机组合预应力承载结构特点，提出一种简单的预载荷施加的方法，实现预应力构件的准确建模；在上述研究的基础上，形成重型模锻压机系统动力学建模的一般方法。基于系统动力学模型的动态性能仿真结果与实测结果对比验证了模型与方法的正确性。2)重型模锻压机低速液压控制系统的联合建模与参数优化针对等温模锻工艺所提

7、出的装备低速稳定运行要求，提出以“电子泵驱动+伺服阀控+压力补偿+LL侈O支撑平衡”为基本结构的伺服液压驱动方案，实现系统快速响应与低速小流量的补偿控制；PID或智能PID控制作为本方案的主要控制手段，其关键为控制器参数的优化，为此，本文提出采用遗传算法自动整定控制器参数的统一方法，仿真分析验证了其效果；在建立各子系统数学、物理模型的基础上，建立低速运行液压控制系统的联合仿真模型；最后通过实验验证模型的正确性和系统的可靠性。3)“装备运行．材料成形”过程交互及多学科集成建模与分析材料成形过程的复杂性及计

8、算结果的离散性决定了成形载荷很难直接与成形装备联合仿真模型耦合。为实现装备运行与材料成形过程的实时交互，本文提出“主应力”法建立面向多学科集成的材料成形过程变形抗力模型并通过实验对模型进行优化；联合装备运行时的系统动力学和液压控制模型，建立基于锻造全过程的重型模锻压机多学科集成仿真模型；基于该模型，系统研究重型模锻压机低速运行时的动态特性，揭示各种参数对系统低速运行时的稳定性影响规律。研究表明：非线性摩擦是影响重型模锻压机低速稳定性的关键因